主要なパラメータは、流量、全揚程、流体特性、吸込条件、およびポンプ動力です。 化学工学の単位操作パイロットプラントにおける供給ポンプや循環ポンプのサイズ選定では、必要な体積流量、質量スループット、静的高さ、容器間の圧力差、配管や継手の摩擦、制御弁での損失、そして流体の密度と粘度を考慮しなければなりません。高圧ループでは、これらの計算により大きな揚程が必要となる場合があります。主要な参考文献では、一部の用途において約237〜268mの全揚程が必要であるとされています。
ポンプのサイズ選定は、システム曲線とポンプ曲線の交点によって決まります。信頼性の高い設計では、必要な運転点と運転範囲の両方を評価し、その後、吸込圧力、キャビテーションマージン、動力需要、制御性、プロセス流体との適合性を検証します。
必要なポンプ運転条件の定義
体積流量
必要な体積流量はポンプの容量を決定し、配管径、流速、摩擦損失、制御範囲に強く影響します。
設計においては、単一の公称値だけでなく、通常、最小、および最大の流量を指定する必要があります。狭い運転範囲であれば単一のポンプで十分な場合もありますが、パイロットプラントが大きく異なる実験をサポートする必要がある場合は、並列ポンプや可変速制御が必要になることがあります。
質量スループット
プロセス仕様がkg/hで表現されている場合や、流体密度が組成、温度、圧力によって変化する場合は、質量流量が不可欠です。
関係式は以下の通りです：
[ \dot{m} = \rho Q ]
ここで、(\dot{m}) は質量流量、(\rho) は流体密度、(Q) は体積流量です。ポンプは体積を移動させる一方で、多くの単位操作は質量スループットに基づいて設計されているため、両方の量をチェックする必要があります。
運転範囲
パイロットプラントは、プロセスの挙動や制御性能を実証するために、複数の流量領域で運転されることがよくあります。ポンプは、最小流量、通常流量、最大流量のいずれにおいても安定して制御可能でなければなりません。
したがって、選定された運転点は、効率、許容運転範囲、および最小流量要件を含むポンプの全性能曲線と比較する必要があります。
全揚程の計算
静的高さ（実揚程）
高さ（揚程）は、供給容器と目的容器の液面または関連する圧力基準点との垂直方向の差です。
ポンプは、配管サイズや流量に関係なく、この揚程を供給しなければなりません。これは、カラム、タンク、充填層、または還流レシーバーが高所に設置されているパイロットプラントにおいて特に重要です。
静圧揚程
供給容器と目的容器が異なる圧力で運転されている場合、ポンプはその圧力差を克服しなければなりません。
密度(\rho)の液体について、圧力から揚程への換算は以下の通りです：
[ H_{\Delta P} = \frac{\Delta P}{\rho g} ]
これは、同じ圧力差であっても、流体の密度が異なれば必要な揚程も異なることを意味します。したがって、吐出圧力のみの指定ではポンプのサイズ選定には不十分です。
摩擦損失揚程
摩擦損失は、直管、継手、バルブ、熱交換器、充填部、流量計、その他のコンポーネントで発生します。
これらは配管の長さと直径、表面粗さ、流体の密度と粘度、流速、および継手の形状に依存します。摩擦損失は一般的に流量とともに急速に増加するため、平均流量だけでなく、関連する運転限界で計算する必要があります。
制御弁および機器の圧力損失
制御弁は、安定した流量制御を提供するために、利用可能な圧力揚程の大部分を意図的に消費する場合があります。
計算には、バルブ、フィルター、ストレーナー、熱交換器、スタティックミキサー、充填層、その他のプロセス機器全体での圧力損失を含める必要があります。これらの損失を省略すると、静的な要件は満たしていても必要な流量を達成できないポンプになってしまう可能性があります。
全揚程（TDH）
必要なポンプ揚程の実用的な式は以下の通りです：
[ H_{\text{TDH}} = H_{\text{elevation}} + H_{\text{pressure}} + H_{\text{friction}} + H_{\text{equipment}} ]
得られたシステム揚程は、全運転範囲にわたって評価されるべきです。高圧パイロットプラント回路では、主要な参考文献に記載されているように、必要な揚程が約237〜268mに達する場合があります。
流体の水力学的挙動の評価
密度と比重
密度は、質量スループットと圧力差に関連する揚程の両方に影響します。また、ポンプに必要な水力学的動力にも影響します。
混合物の場合、密度は組成や温度によって大きく変化する可能性があります。設計基準では、動力と機械的負荷をチェックする際に、想定される最も高い密度を使用する必要があります。
粘度
粘度は、レイノルズ数、摩擦係数、圧力損失、ポンプ効率、および達成可能な流量に影響します。
低粘度の液体は一般的に遠心ポンプで扱われます。高粘度の液体は、粘度の上昇とともに遠心ポンプの性能が低下する可能性があるため、ギアポンプなどの容積式ポンプを必要とする場合があります。
レイノルズ数
レイノルズ数は、流れが主に層流、遷移流、または乱流のいずれであるかを示します：
[ Re = \frac{\rho u D}{\mu} ]
ここで、(u) は平均流速、(D) は配管径、(\mu) は動粘度です。
このパラメータは、適切な摩擦係数の相関式を選択するために必要です。また、流体の温度や組成が変化したときに、同じポンプや配管でも挙動が異なる理由を説明するのにも役立ちます。
配管径と流速
配管径は、流量と平均流速の関係を確立します：
[ u = \frac{4Q}{\pi D^2} ]
流速を高くすると配管サイズと資本コストを削減できますが、摩擦圧力損失、騒音、浸食リスク、およびポンプ動力が増加します。流速を低くすると水力学的損失は減少しますが、より大きく高価な配管が必要になります。
吸込条件とキャビテーションマージンの検証
利用可能な吸込揚程
ポンプ入口は、実際の運転条件下で流体を液体の状態に保つために十分な絶対圧力を備えている必要があります。
利用可能な吸込揚程は、供給容器の圧力、液位、吸込ラインの摩擦、流体の蒸気圧、および温度に依存します。これは、ポンプの必要有効吸込ヘッド（NPSH）と比較する必要があります。
NPSHマージン
利用可能なNPSHは、運転範囲全体にわたって、ポンプの必要NPSHを適切な工学的マージンで上回る必要があります。
このチェックは、揮発性液体、高温液体、真空運転される容器、および長く制限の多い吸込ラインを持つシステムでは特に重要です。供給容器よりも高すぎる位置に設置されたポンプは、入口圧力の不足、キャビテーション、不安定な流れ、または完全な流量喪失を経験する可能性があります。
ポンプの設置場所
遠心ポンプは一般的に、吸込ラインが短く入口圧力が最も高い、供給容器の近くかつ下側に設置するのが最適です。
吸込配管は、不必要な継手、急激な絞り、高さの変化を最小限に抑えるべきです。これらの詳細が、吐出側の計算が正しくてもポンプが確実に動作するかどうかを左右する可能性があります。
動力と駆動要件の決定
水力学的動力
理想的な水力学的動力は以下の通りです：
[ P_{\text{hydraulic}} = \rho g Q H ]
必要な軸動力はポンプ効率を考慮する必要があります：
[ P_{\text{shaft}} = \frac{\rho g Q H}{\eta_{\text{pump}}} ]
モーターのサイズ選定では、駆動効率、運転マージン、始動条件、およびパイロットプラントが最大流量または最大密度で運転される可能性も考慮する必要があります。
ポンプの種類
遠心ポンプは、標準的な低粘度のプロセス流体や連続循環業務に適しています。
容積式ポンプは、低流量、高揚程、定量供給、または高粘度の業務により適しています。ダイヤフラムポンプは腐食性流体や精密な投与に有利であり、ギアポンプは粘性液体によく使用されます。
速度と制御
駆動方式は、制御性と運転効率に影響します。可変速駆動装置は、変化するパイロットプラントの条件に合わせてポンプ出力を調整できますが、制御弁による絞りはシステム抵抗を変化させ、ポンプのエネルギーの一部を圧力損失に変換します。
設計では、流量制御を速度調整、バルブ絞り、バイパス循環、またはこれらの組み合わせのいずれで行うかを評価する必要があります。
プロセス流体へのポンプの適合
腐食性と材質
腐食性流体は、ポンプケーシング、インペラ、シール、グランド、および配管を攻撃する可能性があります。
材質は、流体の組成、濃度、温度、および曝露時間を使用して選択する必要があります。アイドル期間中もポンプ内に残留流体が残り、内部腐食を促進する可能性があるため、断続的な運転も重要です。
懸濁固形物
懸濁固形物は、浸食、閉塞、シール損傷、および摩耗の加速を引き起こす可能性があります。
設計では、固形物濃度、粒子径、沈降挙動、および必要な内部クリアランスを考慮する必要があります。流量と揚程のデータのみから選択されたポンプは、プロセス流体に固形物が含まれている場合に故障する可能性があります。
蒸気圧と温度
蒸気圧は、ポンプ吸込口でのフラッシングやキャビテーションの可能性を決定します。
温度変化は、粘度、密度、蒸気圧、および材質の適合性を同時に変化させる可能性があります。これらの特性は、冷間始動時、通常時、および最高温度の条件下で評価する必要があります。
トレードオフの理解
ポンプの過大選定
過大選定されたポンプは、過剰な流量、高いバルブ圧力損失、非効率的な運転、および低スループットでの制御困難を引き起こす可能性があります。
絞り込みはポンプを望ましくない運転点へと追い込み、再循環、振動、または過熱を引き起こす可能性があります。ポンプは、利用可能な最大のユニットを単に選択するのではなく、実際のシステム曲線と運転範囲に合わせて選択する必要があります。
ポンプの過小選定
過小選定されたポンプは、摩擦損失やプロセスの圧力要件が増加した際に、必要な流量に到達できない可能性があります。
これは、制御弁、熱交換器、充填層、またはフィルターを通る圧力損失を計算から除外した場合に特に起こりやすいです。システムは、最も過酷な想定運転条件でチェックする必要があります。
配管径の選択
細い配管は資本コストを削減しますが、流速と摩擦揚程損失を増加させます。太い配管はポンプ損失を低減しますが、機器コスト、設置面積、およびパイロットプラントの流体滞留量を増加させる可能性があります。
選択する直径は、資本コスト、エネルギー消費、制御性能、浸食リスク、および施設の教育的または研究的目標のバランスを取る必要があります。
システム曲線の無視
ポンプカタログの定格は、それらの間の完全な関係を表すことなく、揚程や流量の値のみを記載していることがよくあります。
選択されたポンプは、計算されたシステム曲線に対してチェックする必要があります。実際の運転点はポンプ曲線とシステム曲線が交差する場所であり、カタログ上の公称値とは大きく異なる場合があります。
目標に向けた正しい選択
以下の優先順位は、パイロットプラントの目的に合わせてサイズ計算を整理するのに役立ちます：
- 主な焦点が信頼性の高いプロセス循環である場合： 通常、最小、および最大の流量を定義し、完全な全揚程を計算し、範囲全体にわたる運転点とNPSHマージンを検証します。
- 主な焦点が正確な供給または試薬の計量である場合： 安定した低流量性能、流体粘度、脈動、制御性、および容積式またはダイヤフラムポンプの適合性を優先します。
- 主な焦点が高圧運転である場合： 容器の圧力差、機器の圧力損失、流体密度、軸動力、機械的定格、および完全な吸込条件の分析を含めます。
- 主な焦点が流体力学の教育である場合： ユーザーが理論上の揚程損失、ポンプ曲線、バルブ損失、および測定された消費電力を比較できるように、流量、圧力、差圧、速度、およびモーター出力を計測します。
- 主な焦点が腐食性または固形物を含むサービスである場合： 運転期間とアイドル期間の両方における材質、シール選定、内部クリアランス、固形物処理、温度、および腐食を評価します。
健全なパイロットプラントのポンプ仕様は、流量、揚程、流体の挙動、吸込条件、動力、および制御要件を一つの完全な水力学的設計基準に統合します。
まとめ表：
| パラメータ | 評価すべき内容 | 重要性 |
|---|---|---|
| 流量 | 最小、通常、最大体積流量；質量スループット | ポンプ容量、配管流速、制御性を定義 |
| 全揚程 | 高さ、容器圧力差、配管摩擦、バルブ、機器損失 | 必要なポンプ揚程とシステム曲線を決定 |
| 流体特性 | 密度、粘度、蒸気圧、温度、腐食性、固形物 | 摩擦、動力、キャビテーションリスク、ポンプ種類、材質に影響 |
| 吸込条件 | 供給圧力、液位、吸込ライン損失、NPSHマージン | キャビテーション、不安定な流れ、性能低下を防止 |
| ポンプと駆動装置 | ポンプ曲線、効率、軸動力、速度、運転範囲 | ポンプが効率的かつ確実に運転点に達することを確認 |
| 制御戦略 | 可変速、バルブ絞り、バイパス、定量供給 | 変化するパイロットプラント条件全体で安定した運転を確保 |
| 設計の優先順位 | 循環、計量、高圧、教育、腐食性、固形物サービス | ポンプ選定をパイロットプラントのプロセス目標と一致させる |
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